Tema 3: El transistor bipolar de unión.prof.usb.ve/gsanchez/Curso_Elec1/Teor%EDa%20de%20BJT.pdfTema 3: El transistor bipolar de unión. Electrónica Analógica 1º Licenciatura en

Tema 3: El transistor bipolar de unión.

Electrónica Analógica 1º Licenciatura en Radioelectrónica Naval1

INDICE• Funcionamiento básico del transistor bipolar

• Análisis de la línea de carga de un transistor

• Estados del transistor

• El transistor PNP

• Modelos y análisis del transistor en gran señal

• Circuitos de polarización

• Circuitos equivalentes en pequeña señal

• El amplificador en emisor común

• El seguidor de emisor



FUNCIONAMIENTO BÁSICO DELTRANSISTOR BIPOLAR NPN

• Unión B-E à PD• Unión B-C à PI VBC=VB-VC=VBE-VCE

Si VBE < VCE à VBC < 0



iE à Corriente total del emisorγ iE à Corriente solo de e- procedentes del Eαγ iEàCorriente de e- de E que llegan a C

iC= αγ iE + ICS

iC= αFiE

Curvas características:

Curva característica de entrada- Igual a la del diodo.- Unión PN se rige por la e. de Shockley- También vBE disminuye con la Tª.



Curva característica de salida:- iC es independiente de la vCE ya que no pasaningún e- del C a la B à PI- Valores inferiores a 0,2 cambian la polarización VBE = 0.7 V à PD

VBC < 0.5V à PIVBC-VBE = VB-VC – VB+VE =VEC = -VCEVCE = VBE-VBC = 0.7 – 0.5 = 0.2V

Al ser VBE un valor fijo, cualquier valor de VCEsuperior a 0.2, mantiene la PI, ya que VBCquedará negativa, una tensión menor lo cambia.



EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADORCon pequeñas iB se obtienen grandes iC.

β= iC/ iB à [10-1000]Mayor β à E muy dopado

à B angosta

Relación entre β y α

LCK à iE=iB+iC [1]Shockley à iE=IES[eVBE/VT-1] [2]Gráfico à ic=α iE [3]

ic/α =IES[eVBE/VT-1] [4]VBE>>VT à iC ≈ IS eVBE/VT [5][1] y [3] à iB=(1-α )iE [6][5] y [6] à iB=(1-α ) IES[eVBE/VT-1] [7]β = iC/ iB à

β = [α IES eVBE/VT]/[(1-α ) IESeVBE/VT ]β = α /(1-α) [8]



RECTA DE CARGA

VCC y VBB à Polarizan el transistor

LVK Malla 1: VBB + vin(t) = RBiB + VBE

LVK Malla 2: VCC = RCiC + VCE

Si vin(t) aumentaà iB varia en la r.c.à aumenta icà disminuye vCE à INVERSION DE vin(t)



Ejemplo 4.2. HambleySuponga el circuito anterior con VCC = 10V, VBB=1.6V, RB=40 Ω , RC=2KΩ , la señal de entrada esvin(t)=0.4sen(2000ωt).

1. Hallar el valor de iB mediante la recta decarga.



2. Construimos la línea de carga sobre la c.c.s.

3. Todos los puntos de vin(t) dan la curva desalida. Ganancia= -5



DistorsiónLa salida anterior no es exactamente senoidalhay diferencia respecto a la entrada àDISTORSION.

Vin max =1.2V à iB=50uAà ic=5mAàVCE=10V CorteVinmin =-1.2Và iB=0uAà ic=0mAàVCE=0V SaturadoVin med=0Và iB=25uAà ic=2.5mAàVCE=5V Activo

SAT

CORTE



EL TRANSISTOR PNP• Su fabricación y polarización son contrarias a la

del NPN.

• Ecuaciones: iE=iB+iCiB=(1-α )iEiC=αiEβ = iC/ iB

iE=IES[e-VBE/VT-1]iB=(1-α ) IES[e-VBE/VT-1]

• Curvas características



EJEMPLO PNP CON RECTA DE CARGAHallar Q y los valores max. y min. de iB y vo(t)para el circuito de la figura. ¿Invierte la señal?

-8.2V–8KiB+vBE+9V=0à PTO1(0,100uA)PTO2(0.8V,0)

IBQ=25uA ; IBmin=5uA ; IBmax=50uA-3Kic+vCE+9=0à PTO1(-9,0) PTO2(0,3mA)

ICQ=1.25mA ; Icmin=0.25mA ; Icmax=2.5mAvCEQ=3.75V ; vCEmin=0.75V; vCEmax=7.5V



MODELOS EN GRAN SEÑAL1. ACTIVO (BEàPD, BCàPI)

2. SATURACIÓN

3. CORTE



Ejemplo 4.3. Determinar la región de trabajodel NPN en los siguientes casos.(β=100)

a) IB=50uA ; IC=3mAIB>0 y Ic>0

Activo o Saturado

Si estuviera saturado debe cumplirse:βIB>IC à 100*50uA=5mA > Ic=3mA

b) IB=100uA ; VCe=5VIB>0 y VCE>0.2 à Activo

c) VBE=-2V; VCE=-1VVBE<0 y VCE<0 à Corte



ANÁLISIS DE CIRCUITOS BIPOLARES ENGRAN SEÑAL

1. Suponemos inicialmente un estado: activo,corte o saturado.

2. Redibujamos el circuito sustituyendo eltransistor por su modelo equivalente.

3. Resolvemos el circuito para hallar Ic, IB, VCE.

4. Comprobar que los resultados son coherentescon el estado supuesto.

5. Si es correcto hemos terminado si novolvemos al paso 1.

* Análisis de polarizaciónà Situar Q en zonaACTIVA para amplificar

* Buena polarización: evitar variaciones de Q porvariaciones de β con Tª.



POLARIZACION CON BASE FIJAEn el circuito de la figura se tiene RB=200K,Rc=1k, Vcc=15v, B=100.Calcular VCE y IC.

1. Suposición inicial à CORTE2. Sustituir por el modelo equivalente

3. Resolvemos para hallar Ic, IB, VCE.IB=0; IC=0;

VCE=VC-VE = (15-RC*IC)-0 = 15VVBE=VB-VE = (15-RB*IB)-0 = 15V



4. Comprobar los resultados con las condicionesdel estado supuesto.CORTE à VBE<0.5V; VBC <0.5VVBE =15V > 0.5VVCE =15V >0.5VNo se cumplen las condicionesà NO CORTE

5. Volvemos al punto 1

1. SATURACIÓN2.

3. Análisis del circuitoIB = (15-0.7)/200K = 71.5uAIc =(15-02)/1K = 14.8mA4. Comprobar las condiciones de saturaciónSATURACIÓN à IB >0 ; βIB >IcIB =71.5uA à OKβ IB =100*71.5uA=7.15mA <Ic =14.8mA à NO

5. Nueva suposición.



1.ACTIVO2.

3.Análisis del circuitoIB=(15-0.7)/200k = 71.5uAIc=β*IB=7.15mAVCE=VCC-RCIc=15V-1K*7.15mA=7.85V

4. Comprobamos con el estado supuestoACTIVOàIB>0; VCE>0.2V

IB=71.5uA>0 àOKVCE=7.85V>0.2V à OK

5. ESTADO ACTIVO. Adecuado para amplificar.



POLARIZACIÓN EN BASE FIJA CON UNA βMAYOR

β=300

1. ACTIVO

3. AnálisisIB=(15-0.7)/200K=71.5uAIc=β*IB=300*71.5uA=21.45mAVCE=VCC-RC*Ic=15V-1K*21.45mA=-6.45V

4. ComprueboACTIVOà IB>0; VCE>0.2

IB=71.5uA à OKVCE=-6.45 < 0.2 à NO OK

5. Supongo un nuevo estado

1. SATURACIÓN

3.AnálisisIc=(15-0.2)/1k = 14.8mAIB=71.5uA

4. ComprobaciónSATURACION à IB>0; β*IB>Ic

IB=71.5uA >0 à OKβ*IB=300*71.5uA=21.45mA > 14.8mA à OK

5. SATURADO



CONSECUENCIAS SOBRE EL DISEÑO DELCIRCUITO DE POLARIZACIÓN

ACTIVO SATURADO

INCONVENIENTES:

* Al variar β varía Ic y por tanto el punto Q,pudiendo pasar a otro estado, p.e. SATURACIONdonde el transistor no amplifica.

* En dispositivos de la misma serie β varia

SOLUCIÓN:

* Hacer que RB varíe para ajustar IB à pocopráctico à Base fija



CIRCUITO DE POLARIZACION AUTOMÁTICA

1. Suposición ACTIVA2. Circuito equivalente3. Análisis del circuito

-VBB +VBE + RE IE = 0IE= (5-0.7)/2K = 2.15mA à Indpte β

IB = 21.5µA ; Ic = 2.15mA

Vcc = VCE + RE IE +Rc IcVCE =6.4V

4. ACTIVO à IB > 0 ; VCE >0.2VIB =21.5µA >0 y VCE = 6.4V > 0.2V



CIRCUITO DE POLARIZACION AUTOMÁTICACON UNA BETA MAYOR

β = 300

IB Ic VCEβ = 100 21.50 µA 2.15 mA 6.4Vβ = 300 27.14 µA 2.14 mA 6.4V

Q (VCE , Ic ) en independiente de β

INCONVENIENTES:• Usa dos fuentes diferentes.• Al inyectar señal en la base con C, VBB quedaría

en corto.

SOLUCIÓN:• Buscar un circuito similar que solo use una

fuente.



POLARIZACION AUTOMATICA CON CUATRORESISTENCIAS

• R1 y R2 à Divisor de tensión à VBB = constante• I1 e I2 >> IB• Puede acoplarse una vin alterna

capacitivamente.

Análisis à Thévenin figura (b)



VB =VTH ; RB=RTH

VB = RB IB + 0.7 + REIEIE = (β +1) IB à IB = (VB – 0.7) / [RB + (β +1)RE]

Calculamos despues Ic , IE y VCE usando lasegunda malla.

EJEMPLO 4.7. P.A CON CUATRORESISTENCIAS

RTH= RB = R1||R2 = 3.3KVTH=VB = 5VIB =41.2 µA (@β=100)IB = 14.1µA (@β =300)Ic = 4.12mA (@β =100)Ic = 4.24mA (@β= 300)Para un cambio 3:1 en β la variación de Ic es

[(4.24-4.12) / 4.24] *100 = 3%



IE=IB + IcIE = 4.16 mA (@β =100)IE = 4.25 mA (@β =300)

VCE = Vcc – Rc IcVCE = 6.72 (@β = 100)VCE = 6.51 (@β = 300)

DISEÑO DE CIRCUITOS DE POLARIZACIONDISCRETOS

OBJETIVO: Q independientes de parametrossusceptibles de cambio à β (fabricación, Tª), VBE(Tª).

DISEÑO:

• R1 y R2 à VB cte à Compromiso R2à I2>10*IB

• VBE ↓ con ↑Tª à VB grande à VB – VBE ≅ VB àCompromisoàVB=1/3 Vcc à VB=RB IB + 0.7 +VE

• En general Vcc =1/3 V Rc + 1/3 VCE + 1/3 VE



FUENTES DE CORRIENTE EN LAPOLARIZACION DE CIRCUITOS INTEGRADOS

Q1=Q2; Estado ACTIVO; β=100; IS=10-13ª

VBE1 = VBE2 à IE1 + IE2 = 2mA à IE1 = IE2 = 1mAIB1 = IB2 = IE2 / (β +1) = 9.9µAIc1 = Ic2 = β IB2 = 0.99mA

IE3 = 5mAIB3 =IE3 / (β +1) = 49.5µAIc3 = β IB3 = 4.95mA

I1=Ic2 – IB3 = 0.941mA

vo=15V + 0.7 –I1Rc = 10.3V



CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑASEÑAL

Notación de señales:[1] iB(t) = IBQ + ib(t)[2] vBE (t) = VBEQ +vbe

Circuito de polarización à Q

Relaciones entre las componentes de pequeñaseñal del transistor:

[3] iB=(1-α)IES [exp(vBE/VT) –1]

[1]y[2] en [3] àIBQ +ib(t)=(1-α)IES [exp((VBEQ+vbe(t))/VT) ]

IBQ +ib(t)=(1-α)IES [exp(VBEQ/VT)exp(vbe(t)/VT) ]

=IBQIBQ +ib(t)= IBQ exp(vbe(t)/VT) ]

I total base = I continua + I de la señal



vbe(t) << VTIBQ +ib(t)= IBQ(1 + (vbe(t)/VT))

ib(t)= IBQ (vbe(t)/VT)

[4] rπ= VT/ IBQ à Unión be = R[5] ib(t)= vbe(t)/rπ

iC(t) = β iB(t)ICQ + ic(t)=β IBQ + β ib(t)

[6] ic(t)= β ib(t) à Fuente dependiente de I

CIRCUITOS EQUIVALENTES EN PEQUEÑASEÑAL PARA EL TRANSISTOR BIPOLAR

De [4] y [6] à ic(t) = (β /rπ)vbe(t)Transconductancia à gm=β / rπ [7]

rπ= VT/ IBQ à rπ= β VT/ ICQ [8] [7] y [8] àgm= β /[β VT/ ICQ] à gm= ICQ/VT [9]

Los parámetros de p.señal (gm y rπ) puedencalcularse conocido Q.



En términos de rπ y gm las relaciones entrecorrientes y tensiones de pequeña señal queda:

vbe(t)= rπ ib(t) y ic(t)=gmvbe(t)

Ejercicio 4.19. A temperatura ambiente untransistor tiene un valor de β = 100. Calcular susparámetros de pequeña señal para ICQ=10mA .

Datos: VT = 26mV Calcular:T

CQ

m VI

g = =385mS

β =100CQ

T

IVr β

π = =260Ω

ICQ=10mA



EL AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN

El circuito tiene dos partes a analizar:

• Análisis en continua: los C actúan comocircuitos abiertos, la vs desaparece y RE quedacomo una única R. à Circuito de polarización

• Análisis en pequeña señal: los C actuarán comocortocircuitos.Elementos:Ø C1 de acoplo impide que varie Q en la

polarización.Ø C2 de acoplo evita el paso de continua en la

salida o bien permite acoplar otra entrada.Ø CE , C de desacoplo permitirá controlar el valor

de ganancia.



C de valor alto à Baja Z en alterna à Menores f

Características más importantes de unamplificador:

• Ganancia de corriente AI• Ganancia de tensión AV• Impedancia de entrada Zin• Impedancia de salida Zo

Ganancia de tensión

vin = ib*rπ + RE1*ie = ib*rπ + RE1*(β +1)*ibvout =-β ib RL

’

Av=vout/vin =-(β RL’)/ [rπ + RE1*(β +1)] [10]

Independencia de los parámetros del transistor :βRE1*(β +1)>> rπ à RE1 grandeβ >> 1

Av=-RL’/ RE1 [11]



Impedancia de entradavin = ib*rπ + RE1*(β +1)*ibZit=vin/ib = rπ + RE1*(β +1) à Terminal BZin= vin/iin = Zit || RB = 1/[(1/RπB)+(1/Zit)] àFuente vs

Ganancia de corrienteAi = iout/iin =Av (Zin/RL)

Ganancia de potenciaG = AV*Ai

Impedancia de salidavs=0 à ib=0 à β ib = 0

Zout=RC



EL SEGUIDOR DE EMISOR Ó COLECTORCOMÚN

R1, R2 y RE à PolarizaciónC1 y C2 à Acoplo

Colector a masa à Colector común



Ganancia de tensión

Av = vo/vi à vo=RL’(β +1) ibvin=rπ ib + RL’ (β +1)ib

)1()1(

'

'

+++== β

βπ L

L

v RrR

A à NO INVERSOR

Si rπ << RL’ (β +1) à Av ≅1

Impedancia de entrada

Zit = vin/ib = [rπ ib + RL’(1+β )ib] / ib == rπ + RL’(1+β )

Zin=[ rπ + RL’(1+β )] || RB à Muy grande

)1())1((

'

'

ββ

π

π

+++++==

LB

LB

i RrRRrR

Z

Ganancia de corriente

Ai=io/ii=in

in

L

o

vZ

Rv = Av

L

in

RZ =

)1()1(

'

'

ββ

π ++++LB

LB

RrRRR ≅RB||RL’

Ganancia de potencia

G=AvAi



Impedancia de salida

Zo= vx/ix

ix-(vx/RE)+ (β +1)ib =0 [1]RS’ = R1||R2||Rs

ib RS’ + rπ ib + vx =0 [2]

De [2] à ib = -vx / (rπ + RS’) [3]

De [1] y [3] à 022

=

+−+

+−+−

s

x

s

x

E

x

x Rrv

Rrv

Rv

iππ

β

Reordenando Zo= vx/ix =

+++

'

11

1

SE RrR

π

β

Llamando ZOT = )1(

'

++

βπrR

S

Zo = RE || ZOT



AMPLIFICADOR EN BASE COMÚN



Ganancia de Tensión

Av= vo/vin à vo=RL’ic = -RL’β ib Av=(-RL’β)/rπà vin=-rπ ib

Impedancia de entrada

Zin=vin/iin = (-rπ ib) / [vin/RE - ie] à Zin=R

E

Rr

Rr

++

+

)1(

)1(

β

βπ

π

Zin=RE || 1+β

πr

Ganancia de CorrienteAi=io/ii = AvZin/RL

Ganancia de PotenciaG=AvAi

Impedancia de salida

Zoà vs=0 à iE =0 à ic=0 à Zo = Rc



Indice...........................................................1Funcionamiento básico del transistor bipolar NP.2EL transistor como amplificador .......................5Recta de carga...............................................6EL TRANSISTOR PNP .................................... 10Ejemplo pnp con recta de carga ..................... 11Modelos en gran señal .................................. 12Análisis de circuitos bipolares en gran señal .... 14Polarizacion con base fija .............................. 15POLARIZACIÓN en base fija con una β mayor .. 18Consecuencias Sobre El Diseño Del CircuitoDe Polarización ............................................ 19Circuito de polarizacion automática ................ 20Circuito de polarizacion automática con una betamayor ........................................................ 21Polarizacion Automatica Con Cuatro Resistencias................................................................. 22Ejemplo 4.7. P.A con cuatro resistencias ........ 23Diseño de circuitos de polarizacion discretos.... 24Fuentes de corriente en la polarizacion decircuitos integrados ...................................... 25Circuitos equivalentes en pequeña señal ......... 26Circuitos equivalentes en pequeña señal para eltransistor bipolar.......................................... 27El amplificador en emisor común.................... 29El Seguidor De Emisor Ó Colector Común........ 32Amplificador en base común.......................... 35

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